傳感器原理第五章 熱電傳感器

1、第二節(jié) 電阻溫度傳感器 第三節(jié) 集成溫度傳感器第五章 熱電傳感器熱電傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝 置,是一種廣泛應(yīng)用的間接測量溫度的方法,即利用一些 材料或元件的性能參數(shù)隨溫度而變化(物性型,通過測 量該性能參數(shù),而得到被測溫度的大小。其中熱電動勢、 熱敏電阻及半導(dǎo)體 PN 結(jié)特性在熱電測溫傳感器中的應(yīng)用最 為成熟。 第一節(jié) 熱電偶熱電偶的基本工作原理是熱電動勢效應(yīng)。熱電偶是將 溫度變化量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電傳感器。雖然是一個古 老的測溫方法,但由于它具有測溫范圍寬(-180 2800、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、且便于遠距離及多點測量 等一系列優(yōu)點,因而在現(xiàn)代測溫領(lǐng)域仍獲得廣泛應(yīng)用。熱電偶

2、測溫基本原理是將兩種不同材料的 導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來,構(gòu)成一個閉合回 路。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不 同 (自由電子濃度不同,當(dāng)兩個導(dǎo)體的二 個執(zhí)著點之間存在溫差時,就會發(fā)生高電 位向低電位放電現(xiàn)象,因而在回路中形成 電流 , 溫度差越大,電流越大,這種現(xiàn)象稱 為熱電效應(yīng)。一、熱電效應(yīng)在兩種不同的導(dǎo)體組成的閉合回路中,若兩連接點的 溫度不同時,閉合回路中就會產(chǎn)生電動勢而形成電流,這 種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng) 。熱電效應(yīng)引起的電動勢和電流, 分別稱為熱電勢和熱電流。 圖5-1熱電偶示意圖熱電偶是基于熱電效應(yīng)的測溫裝置。如圖5-1所示, 兩種不同物質(zhì)的導(dǎo)體 A 和 B ,兩接觸點 T 和 T 0

3、, T 點稱之 為工作端或熱端,置于被測溫度場中, T 0點稱之為自由端 或冷端,冷端溫度要求恒定。當(dāng)兩接觸點 T 和 T 0的溫度不 同時,熱電偶回路中就產(chǎn)生熱電勢, 熱電勢可分為接觸電 勢和溫差電勢 。1.接觸電勢 由于組成熱電偶的兩導(dǎo)體 A 和 B 屬于不同的兩物質(zhì), 各自內(nèi)部自由電子密度不同。根據(jù)擴散理論,在接觸點處 要產(chǎn)生擴散運動,如圖5-2所示。若導(dǎo)體 A 自由電子密度 N A 大 ,導(dǎo)體 B 自由電子密度 N B 小 ,則擴散結(jié)果,在接觸點處 導(dǎo)體 A 側(cè)失去電子帶正電,導(dǎo)體 B 側(cè)得到電子帶負電,于 是在接觸點處形成電場,該電場阻止電子擴散運動,當(dāng)電 場作用與擴散運動達到平衡時

4、,在接觸點處就產(chǎn)生穩(wěn)定的 接觸電勢 E AB =U A -U B 。 圖5-2電子擴散運動 2. 溫差電勢由于熱端 T 和冷端 T 0存在著溫度差,在同一導(dǎo)體內(nèi), 高溫端的自由電子向低溫端擴散,從而形成高溫端與低溫 端的溫差電勢。兩導(dǎo)體 A 和 B 溫差電勢分別表示如下: 導(dǎo)體 A 溫差電勢dt T T E A TT A =0 (0式中 A 導(dǎo)體 A 的湯姆遜系數(shù),其大小與材料性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的平均溫度關(guān)。(5-3dt T T E B TT B =0 (0 導(dǎo)體 B 溫差電勢式中 B 導(dǎo)體 B 的湯姆遜系數(shù)(5-43. 回路總電勢綜上所述,由導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶回路,當(dāng)接觸點溫度 T

5、>T 0 時,回路總電勢等于接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和,如圖5-3所示。但 由于溫差電勢通常遠遠小于 接觸電勢,因而工程計算上可以把接觸電勢看成回路總電 勢 。回路總電勢為 圖5-3 熱電偶回路電勢顯然當(dāng)熱電偶導(dǎo)體 A 和 B 材料一定時,回路總電勢 成為熱端和冷端的溫度函數(shù)。在實際測溫中,總是把冷 端置于某一恒溫下,此時 冷端接觸電勢為一常量 , 即 ,則C T E AB = (0 ( ( , (0T f C T E T T E AB AB =(此時回路總電 勢僅決定于熱端接觸電勢,即只與熱端溫度關(guān),兩者之 間是單值的函數(shù)關(guān)系,因而可用熱電偶測量現(xiàn)場溫度 。 (5-6圖5-3回路總電勢

6、為( ( ( , (0000T T E T T E T E T E T T E B A AB AB AB =(5-5( (0T E T E AB AB =&熱電極的極性:測量端失去電子的熱電極為正極,得到電子的熱 電極為負極。對熱電勢符號 E AB (T , T 0,寫在 前面的 A 、 T 分別為正極和高溫;寫在后面的 B 、 T 0分別為負極和低溫。若它們前后顛倒,則熱電 勢極性相反。 E AB (T , T 0=-E AB (T 0, T , 實驗判別熱電勢的方法是將熱端稍加熱,在冷端 用直流電表辨別。 2.基本定律 中間導(dǎo)體定律用熱電偶測溫時,在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體, 總

7、電勢。即如圖5-4所示,將熱 電偶冷端 T 0打開,接入儀表,只要儀表的兩接入端T 01、T 02溫度相同,就不會影響原來熱電偶回路電勢的大小。接入的第三種 導(dǎo)體C稱之為中間導(dǎo)體。顯然這一定律在實現(xiàn)熱電偶測溫工作中十分有用。 , ( , (00T T E T T E ABC AB =(5-9圖5-4 中間導(dǎo)體定律 中間溫度定律熱電偶在接觸點溫度為 T 、 T 0時的回路電勢,等于該 熱電偶在接觸點溫度為 T 、 T n 和 T n 、 T 0(T >T n >T 0時回 路電勢之 代數(shù)和 。即E AB (T , T 0=E AB (T,T n +E AB (T n , T 0 (5

8、-11 若 T 0=0則有E AB (T ,0=E AB (T , T n +E AB (T n ,0 (5-12 這個定律在熱電偶冷端溫度修正時很有用。 (5-10 標準電極定律導(dǎo)體 A 、 B 組成熱電偶的回路電勢 E AB (T , T 0,等于 導(dǎo)體 A 、 C 和 C 、 B 組成熱電偶回路電勢 E AC (T , T 0與 E CB (T , T 0之 代數(shù)和 。即, ( , ( , (000T T E T T E T T E CB AC AB +=這里導(dǎo)體 C 被稱為標準電極 ,通常用純鉑(Pt作標 準電極。 均質(zhì)導(dǎo)體定律兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶,其熱電勢大 小與熱電極直徑、長度

9、及沿?zé)犭姌O長度上 的溫度分布無關(guān),只與熱電極材料和兩端 溫度有關(guān)。如果熱電極材質(zhì)不均勻,則當(dāng)電極上各處 溫度不同時,將產(chǎn)生附加熱電勢,造成無 法估計的測量誤差。因此,熱電極材料的 均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標之一。 E AB (T -E AC (T1 +EAC (T2 -E AB (T O E AB (T -E AB (T O 三、熱電偶冷端溫度誤差及補償當(dāng)使用熱電偶測溫時,熱電偶冷端的溫度必須恒 定,否則要引入冷端溫度誤差 。即是說在實際測溫中,若 冷端的溫度不恒定,必須采取相應(yīng)的補償。由于熱電偶通 常用來測兩點溫差或多點平均溫度,冷端的恒定溫度應(yīng)采 取統(tǒng)一的處理方法,目前在給出的各類熱

10、電偶回路電勢與 熱端溫度對照表(分度表中的數(shù)值,因此,當(dāng)使用熱電偶測溫時,如 果冷端溫度保持在0,則只要測出回路電勢,即可通過 分度表查出相應(yīng)的熱端溫度;若冷端溫度不是0,則必 須在測溫時采取修正或補償措施,常用的修正或補償方法 有如下幾種。1. 冰浴法將熱電偶冷端置于冰水中,使冷端保持恒定的0, 它可以使冷端溫度誤差完全消失。這是一種最好的方法, 但一般只有在實驗室測溫時才有可能實現(xiàn)。2. 冷端溫度修正法當(dāng)冷端溫度不是0,但能保持在某一恒定的溫度 Tn 時,可采取相應(yīng)的修正,將冷端溫度校正到0,以便使 用標準的分度表。 熱電勢修正由中間溫度定律 E AB (T ,0=E AB (T , T

11、n +E AB (T n ,0 可知, E AB (T , T n 項為熱電偶實測電勢, E AB (T n ,0可由分度表查出,故修正到冷端溫度為0時的 熱電偶回路電勢為 E AB (T ,0可計算出,再查分度表求得 被測溫度 T 的大小 溫度修正 3.延伸導(dǎo)線法當(dāng)熱電偶冷端溫度易受熱端溫度影響而在較大范圍變 化時,直接采用上述冷端溫度修正法是比較困難的,此時 應(yīng)先用補償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸到遠離被測溫度現(xiàn)場, 使新的冷端處在比較穩(wěn)定的溫度環(huán)境中 ,然后再采用上述 的冷端溫度修正進行補償。如圖5-5所示。 圖5-5 延伸導(dǎo)線法所采用的延伸導(dǎo)線 A 、 B 在一定的溫度范圍內(nèi)具有 與熱電偶導(dǎo)體

12、 A 、 B 相同或相近的熱電特性采用延伸導(dǎo)線法時,要求延伸導(dǎo)線與熱電偶兩聯(lián)接 點T。溫度必須相同 4. 電橋補償法電橋法補償是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電 偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢。如圖5-6所示,橋臂 電阻 R 1、 R 2、 R 3的阻值恒定,不受溫度影響; R 4為銅電阻 ,其阻值隨溫度升高而增大,測量時將 R 4置于冷端 T 0相同 的溫度場中; E 為供橋直流穩(wěn)壓電源, R S 為限流電阻。 圖5-6 電橋補償示意圖U 0=E AB (T - E AB (T 0+E AB (T 0+U ab(5-14式中 E AB (T 熱電偶熱端接觸電勢;E AB (T 0熱電偶冷端

13、 T 0=20時冷端接觸電勢,即 E AB (T 0=E AB (20。調(diào)節(jié)銅電阻 R 4,使得U ab =E AB (T 0,則式(5-14變?yōu)閁 0=E AB (T -E AB (20 (5-15顯然, 無論熱電偶冷端 T 0溫度如何變化,由于電橋的 補償作用,回路電勢 U 0都只與熱端溫度有關(guān),因而可以有 效地檢測溫度 。在使用電橋補償時,由于電橋平衡點設(shè)置 在20,因而要求把各指示表機械零位亦調(diào)整到20處。電橋平衡點設(shè)置在 T 0=20, 即當(dāng) T 0=20時電橋平 衡,而當(dāng) T 020時,電橋?qū)a(chǎn)生不平衡輸出電壓Uab , 此時熱電偶亦因冷端溫度不為20而產(chǎn)生偏移電勢 E AB (T

14、 0,此時回路總電勢為1. 測量某一點溫度 測量某一點溫度,是熱電偶的最基本功能,其原理 電路如圖5-7所示。圖中 T 為工作端, A B 為延伸導(dǎo)線 ,與導(dǎo)體 A 、 B 具有相近的熱電特性; C 為銅接頭,保證 兩連接點溫度相等; T 0為 新的冷端,要求等溫且恒定 。圖5-7 熱電偶測一點溫度四、熱電偶測溫電路熱電偶可以用來測某一點的溫度,亦可以用來測某兩 點的溫度差,還可以測多點溫度的平均值,各測溫原理電 路簡介如下:測量兩點溫度差 圖5-8是測量兩點溫度差原理電路。圖中兩熱電偶 型號相同,延伸導(dǎo)線相同,兩熱電偶反相串聯(lián),此時測溫 回路總電勢等于兩熱電偶電勢之差,即E =E AB (T

15、 1-E AB (T 2 (5-16且要求熱電偶新的冷端 T 0等溫且恒定,或測試儀表 本身帶有補償裝置,或軟件修正。 圖5-8熱電偶測兩點溫差 3. 測量多點 溫度的平均值測量多點溫度的平均值有兩種基本形 式的電路接法,如圖5-9所示。 圖5-9 熱電偶測多點溫度的平均值(a串聯(lián)(b并聯(lián) 圖5-9(b是采用多個熱電偶 并聯(lián)測多點溫度平均 值 的方法,此時儀表指示值即為多個熱電偶熱電勢的平均 值,即E D =(E 1+E 2+E 3+ E N /N (5-18采用并聯(lián)接法時,延伸線上應(yīng)接入較大的限流電 阻,且各熱電偶應(yīng)工作于線性范圍之內(nèi)。并聯(lián)接法的缺點 是由于儀表指示的平均值較小,若某一熱電偶

16、無輸出(開 路,操作者難以發(fā)現(xiàn)以至讀出值產(chǎn)生誤差。圖5-9(a是采用多個熱電偶相 串聯(lián)測多點溫度平 均值 的方法,此時儀表指示多個熱電偶電勢之和,即E S =E 1+E 2+E 3+ E N (5-17式中 N 為熱電偶個數(shù),其平均值應(yīng)通過計算式 E D =E S /N 求 得;設(shè)置有除法電路的儀表,可由表頭直接讀出平均值。五、熱電偶的選擇熱電極是熱電偶的主要元件,對熱電極材料基本要求:(1熱電勢要足夠大,測溫范圍寬,線性好(2熱電特性穩(wěn)定(3理化性能穩(wěn)定,不易氧化、變形和腐蝕(4電阻溫度系數(shù)小,電阻率小(5易加工復(fù)制性好(6價格低廉熱電偶的結(jié)構(gòu)類型很多,其特性及應(yīng)用環(huán)境不同,在選 擇熱電偶測

17、溫時,應(yīng)根據(jù) 溫度變化范圍、測量精度要 求、安裝及維護方便、價格高低、工業(yè)用熱電偶必 須長期工作在惡劣環(huán)境下 等幾個方面綜合考慮。常用熱電偶的特性及應(yīng)用環(huán)境如表5-3所示。 為了適應(yīng)各種特殊場合測溫需要,目前已研制出多種 特殊性能的熱電偶。例如:1. 鎢錸系熱電偶鎢錸系材料是目前 較好的超高溫材料,測溫范圍可達 03000。例如鎢錸5鎢錸20熱電偶,一般測溫范圍在 3002400時,精度可達±1%,且熱電勢大,適用于 高溫測量;但尚無合適的延伸導(dǎo)線,測溫時應(yīng)采用0恒 溫法或軟件法實現(xiàn)冷端補償。2. 鎳鉻金鐵熱電偶這類熱電偶 低溫性能極好,在絕對溫度1300范圍 內(nèi) ,熱電勢大且穩(wěn)定,

18、適用于超低溫測量。還有銅金鈷 熱電偶,也是低溫?zé)犭娕肌?. 薄膜熱電偶這是由兩種不同的金屬材料蒸鍍到絕緣薄片上而 形成的膜片式熱電偶,薄膜厚度一般為0.010.1mm, 平面尺寸也很小,因而 測溫靈敏度高、反應(yīng)快 (毫秒 級,適用于溫度變化快的場合。4. 非金屬電極熱電偶這類熱電偶是用石墨和難以熔化的化合物作成熱 電極,用于測量2000以上高溫,其工作穩(wěn)定性好, 熱電勢大,價格不高, 具有取代貴重金屬高溫?zé)犭娕?的開發(fā)價值 。但這種熱電偶復(fù)制性差,機械強度小、 脆性大,使用場合受到很大限制。 屬于研究和開發(fā)方 向。 第二節(jié) 電阻溫度傳感器 熱電阻或熱敏電阻都是利用材料的電阻對溫度敏感的 特性制

19、成的電阻溫度傳感器, 常用于-200500范圍內(nèi) 溫度的測量 。在低溫區(qū)域,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢小,測量 精度較低;采用熱電阻可以獲得很高的測量精度,而且不 存在冷端補償問題,因而在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。這類感溫 器件的材料有金屬和半導(dǎo)體兩大類,常稱之為。一、金屬熱電阻純金屬熱電阻器件的主要特性如下: 電阻溫度系數(shù)大且穩(wěn)定,電阻值與溫度之間具有 良好的線性關(guān)系; 電阻率高、熱容量小,熱慣性小,反應(yīng)速度快; 在測溫范圍內(nèi),材料的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定; 便于加工、低成本、工藝性好、批量生產(chǎn)。 目前用于制作熱電阻的純金屬材料主要有 鉑、銅、鐵 和鎳 。將這些材料制成電阻絲,然后繞在云母、石英、陶 瓷或塑料等

20、高絕緣骨架上;經(jīng)固定、外加保護套管,以提 高熱電阻器件的機械強度,并保護其不易被水份或浸蝕性 氣體影響。熱電阻的測溫原理:物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的物理 現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。大多數(shù)金屬導(dǎo)體的 電阻隨溫度升高而增加。在金屬中參加導(dǎo)電的是自由電子, 當(dāng) 溫度升高 時,雖然自由電子數(shù)目基 本不變,但是,每個 自由電子的動能 將增加 ,在一定的電場作用下,要使 這些雜亂無章的 電子作定向運動就會 遇到更大阻力 ,導(dǎo)致金屬電阻隨溫度 升高而增加。1. 鉑熱電阻鉑金屬易于提純,高溫下物理、化學(xué)性能都很穩(wěn)定,是 目前制作熱電阻的最好材料, 常用來制作標準測溫器件 。鉑電阻的阻值與溫度之間關(guān)系接近于線性

21、,在0850范圍內(nèi)可用下式表示R t =R 0(1+At +Bt 2 (5-19 在-2000范圍內(nèi)可用下式表示R t =R 01+At +Bt 2+C (t -100 t 3 (5-20 式中 R t 、 R 0溫度分別為 t 和0時鉑的電阻值;A 、 B 、 C 實驗常數(shù)。鉑的純度通常用 百度電阻比W(100 表示 ,即為W (100=R 100/R 0 (5-21 式中 R 100溫度為100時鉑的電阻值。(查表-鉑電阻分度表 分度號為 Pt100W(100越大,表示鉑絲純度越高 ,目前工藝水平已 達到純度為99.999,即 W (100=1.3930。國際實用溫 標規(guī)定,作為標準測溫器

22、件 W (100不得小于1.3925;工 業(yè)上常用的測溫器件 W (100=1.3871.390。不同純度 下鉑的阻值 R 0和常數(shù) A 、 B 、 C 是不同的,相應(yīng)電阻值 R t 也 不同,使用時應(yīng)查鉑電阻分度及特性表。 2. 銅熱電阻相對于鉑金屬,銅是一種價格便宜、純度可以獲得很高的熱電 阻材料,在 -50150范圍內(nèi)不但靈敏度高,而且線性關(guān)系好 , 因而在此溫度范圍內(nèi)采用銅熱電阻比采用鉑熱電阻好。 其缺點是在 較高的溫度下銅易氧化 ,因而只能用于低溫及無浸蝕性介質(zhì)中;銅 的電阻率比較小,熱電阻體積較大。銅熱電阻的阻值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系 如下式表示R t =R(1+t (5-22式中

23、R t 、 R 0 溫度分別為 t 和0時銅的熱電阻;電阻溫度系數(shù), =(4.254.78×10-3/。 目前我國生產(chǎn)的銅熱電阻代號 WZC ,工業(yè)上使用的標準化銅熱 R 0有50100兩種,其分度分別為Cu50和Cu100。(Cu50表示分度號為Cu50、零度電阻為 50, W (100不小于 1.425鐵和鎳的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率大,可制作小體積、高靈 敏度的熱電阻,其缺點是易氧化、不易提純、化學(xué)穩(wěn)定性差,且熱 電阻與溫度的線性關(guān)系差,故目前尚不多用。 3. 測溫電路熱電阻測溫電路最常用的是電橋電路,在橋路中接入 熱電阻的方法有三線法和四線法兩種。 圖5-10 熱電阻測溫電橋

24、三線連接法圖5-10為三線法原理圖,圖中 G 為檢流計, R 1、 R 2、 R 3為固定電阻, R a 為調(diào)零電位器,熱電阻 R t 通過電阻為 r 1r 2和 r e 的三根導(dǎo)線與電橋連接。溫度變化時,只要 r 1和 r 2阻值穩(wěn)定,就不影響電橋的工作狀態(tài)。電橋調(diào)零時,依靠橋臂電阻 R 4=(R a +R t 調(diào)節(jié),電橋調(diào)零時參考溫度應(yīng)為0 。三線法的主要缺點是調(diào)零電阻Ra直接與滑點的接觸電阻串聯(lián),測溫時會導(dǎo)致電橋零點不穩(wěn)定 。 圖5-11為四線法原理圖,圖中調(diào)零電位器 R a 的滑動 觸點與檢流計相連,此時 滑動觸點的接觸電阻的不穩(wěn)定不 會破壞電橋的平衡及正常工作狀態(tài) ,避免了三線接法中可 能導(dǎo)致電橋零點不穩(wěn)定。圖5-11 熱電阻測溫電橋四線連接法二、半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)(PTC、負溫度系 數(shù)(NTC和臨界溫度系數(shù)(CTR三類 。 PTC(Positive Temperature Coefficient 熱 敏 電 阻 主